Помощь студентам в учебе
Исследование процесса концентрирования раствора молочной кислоты при использовании азеотропной отгонки воды с последующим синтезом лактида
|
Введение 4
1 Технико-экономическое обоснование 7
1.1 Конъюнктура рынка биоразлагаемых полимеров 7
1.2 Российской рынок биоразлагаемой упаковки 11
2. Теоретическая часть 13
2.1 Общие сведения о полимерах 13
2.1.2 Свойства полимеров 15
2.1.3 Способы получения полимеров 16
2.2 Биоразлагаемые полимеры 17
2.2.1 Классификация биоразлагаемых полимеров 18
2.2.2 Получение и применение биоразлагаемых полимеров 19
2.2.3 Полимеры на основе полиэфиров и гидроксикарбоновых кислот 20
2.3 Полилактид (PLA) 20
2.4 Лактид 22
2.4.1 Получение лактида 24
2.5 Молочная кислота 25
2.6 Способы концентрирования растворов молочной кислоты 27
2.6.1 Термическая перегонка молочной кислоты 27
2.6.2 Концентрирование молочной кислоты с помощью азеотропной
отгонки воды 29
2.6.3 Основы азеотропной очистки молочной кислоты 30
2.7 Методы анализа 31
2.7.1 Методика определения молочной кислоты 31
2.7.2 Методика определения молекулярной массы олигомера 32
2.7.3 Инфракрасная спектроскопия 33
2.7.4 Дифференциальный термический анализ 35
3 Экспериментальная часть 39
3.1 Характеристика используемого сырья 39
3.2 Концентрирование раствора молочной кислоты 40
3.3 Синтез лактида 49
3.4 Очистка лактида 49
4 Обсуждение результатов 52
Заключение 59
Список публикаций 61
Список используемых источников 62
Приложение А 68
1 Технико-экономическое обоснование 7
1.1 Конъюнктура рынка биоразлагаемых полимеров 7
1.2 Российской рынок биоразлагаемой упаковки 11
2. Теоретическая часть 13
2.1 Общие сведения о полимерах 13
2.1.2 Свойства полимеров 15
2.1.3 Способы получения полимеров 16
2.2 Биоразлагаемые полимеры 17
2.2.1 Классификация биоразлагаемых полимеров 18
2.2.2 Получение и применение биоразлагаемых полимеров 19
2.2.3 Полимеры на основе полиэфиров и гидроксикарбоновых кислот 20
2.3 Полилактид (PLA) 20
2.4 Лактид 22
2.4.1 Получение лактида 24
2.5 Молочная кислота 25
2.6 Способы концентрирования растворов молочной кислоты 27
2.6.1 Термическая перегонка молочной кислоты 27
2.6.2 Концентрирование молочной кислоты с помощью азеотропной
отгонки воды 29
2.6.3 Основы азеотропной очистки молочной кислоты 30
2.7 Методы анализа 31
2.7.1 Методика определения молочной кислоты 31
2.7.2 Методика определения молекулярной массы олигомера 32
2.7.3 Инфракрасная спектроскопия 33
2.7.4 Дифференциальный термический анализ 35
3 Экспериментальная часть 39
3.1 Характеристика используемого сырья 39
3.2 Концентрирование раствора молочной кислоты 40
3.3 Синтез лактида 49
3.4 Очистка лактида 49
4 Обсуждение результатов 52
Заключение 59
Список публикаций 61
Список используемых источников 62
Приложение А 68
В течение последних десятилетий пластик проник во все сферы нашей жизни в промышленность и быт: упаковка, пластиковые окна, мебель, посуда, мебель, практически все сделано из пластика или содержит пластик [1].
Уже более тридцати лет полимеры лидируют среди упаковочных материалов. Это и понятно: полимеры удобны и безопасны, дешевы, а значит, их производство будет расти и дальше [2].
Полимеры обладают уникальными полезными свойствами, и сравнительно невысокой ценой. Но у них существуют так же определенные недостатки:
-большинство полимеров не разлагается в природе, что приводит к устойчивому загрязнению окружающей среды;
-проблема с утилизацией полимеров;
-большинство пластиков производится из невозобновляемого углеводородного сырья, запасы которого ограничены.
Традиционно пластики изготавливаются из синтетических полимеров, имеющих структуру, не встречающуюся в природе. Основываясь на последних достижениях в понимании взаимосвязи между структурой полимера, его свойствами и природными процессами, были разработаны новые материалы, по своим свойствами не уступающие обычным пластикам, но являющиеся биоразлагаемыми [3].
Биоразлагаемые (биодеградируемые) полимеры - это полимерные материалы, разрушающиеся в результате естественных природных (микробиологических и биохимических) процессов. Продуктами полного разложения в основном являются углекислый газ, вода и гумус [4].
Существует две основные сферы жизнедеятельности человека, которые остро нуждаются в применении биодеградируемых полимеров - это охрана окружающей среды и медицина [5].
Сегодня можно с уверенн.остью утверждать, что биопластики эффективные и технологически сформированные материалы. Они способны улучшить баланс между экологическими выгодами и воздействием пластмасс на окружающую среду. Анализ жизненного цикла показывает, что биопластик может сократить выбросы CO2 на 30^70% по сравнению с обычной пластмассой (в зависимости от материала и области применения). Более того, увеличение использования биомассы в биопластике имеет явное преимущество: возобновляемость и доступность.
Основными достоинствами биопластиков являются биосовместимость (неотторжение организмом изделий из биопластиков при использовании в медицине) и экологичность (быстрое и нетоксичное разложение изделий из биополимеров в окружающей среде). Поэтому они перспективны для использования в медицине (хирургические и одноразовые материалы), фармакологии (пролонгация действия лекарственных веществ), пищевой промышленности (упаковочный и антиоксидантный материал), сельском хозяйстве (обволакиватели семян, разрушаемые пленки).
Объектом исследования в данной работе является технология получения лактида, который служит исходным компонентом для получения полилактида.
Предметом исследования является процесс концентрирования раствора молочной кислоты и синтез лактида.
Новизна работы заключается в использовании азеотропной системы, которая способствует значительному сокращению времени при проведении процесса концентрирования раствора молочной кислоты.
Цель работы - исследование возможности применения азеотропной отгонки воды в процессе получения олигомера из водного раствора молочной кислоты.
Задачи:
1. Провести литературный обзор по синтезу лактида;
2. Подобрать оптимальные условия для проведения данного процесса;
3. Исследовать применение азеотропной системы растворителей для использования в процессе концентрирования водного раствора молочной кислоты;
4. Изучить и провести процесс синтеза лактида;
Практическая значимость заключается в том, что результаты данной работы позволяют использовать системы азеотропов для процесса концентрирования водного раствора молочной кислоты с последующим синтезом лактида и полилактида. Использование таких систем позволяет сократить время и температуру процесса.
Уже более тридцати лет полимеры лидируют среди упаковочных материалов. Это и понятно: полимеры удобны и безопасны, дешевы, а значит, их производство будет расти и дальше [2].
Полимеры обладают уникальными полезными свойствами, и сравнительно невысокой ценой. Но у них существуют так же определенные недостатки:
-большинство полимеров не разлагается в природе, что приводит к устойчивому загрязнению окружающей среды;
-проблема с утилизацией полимеров;
-большинство пластиков производится из невозобновляемого углеводородного сырья, запасы которого ограничены.
Традиционно пластики изготавливаются из синтетических полимеров, имеющих структуру, не встречающуюся в природе. Основываясь на последних достижениях в понимании взаимосвязи между структурой полимера, его свойствами и природными процессами, были разработаны новые материалы, по своим свойствами не уступающие обычным пластикам, но являющиеся биоразлагаемыми [3].
Биоразлагаемые (биодеградируемые) полимеры - это полимерные материалы, разрушающиеся в результате естественных природных (микробиологических и биохимических) процессов. Продуктами полного разложения в основном являются углекислый газ, вода и гумус [4].
Существует две основные сферы жизнедеятельности человека, которые остро нуждаются в применении биодеградируемых полимеров - это охрана окружающей среды и медицина [5].
Сегодня можно с уверенн.остью утверждать, что биопластики эффективные и технологически сформированные материалы. Они способны улучшить баланс между экологическими выгодами и воздействием пластмасс на окружающую среду. Анализ жизненного цикла показывает, что биопластик может сократить выбросы CO2 на 30^70% по сравнению с обычной пластмассой (в зависимости от материала и области применения). Более того, увеличение использования биомассы в биопластике имеет явное преимущество: возобновляемость и доступность.
Основными достоинствами биопластиков являются биосовместимость (неотторжение организмом изделий из биопластиков при использовании в медицине) и экологичность (быстрое и нетоксичное разложение изделий из биополимеров в окружающей среде). Поэтому они перспективны для использования в медицине (хирургические и одноразовые материалы), фармакологии (пролонгация действия лекарственных веществ), пищевой промышленности (упаковочный и антиоксидантный материал), сельском хозяйстве (обволакиватели семян, разрушаемые пленки).
Объектом исследования в данной работе является технология получения лактида, который служит исходным компонентом для получения полилактида.
Предметом исследования является процесс концентрирования раствора молочной кислоты и синтез лактида.
Новизна работы заключается в использовании азеотропной системы, которая способствует значительному сокращению времени при проведении процесса концентрирования раствора молочной кислоты.
Цель работы - исследование возможности применения азеотропной отгонки воды в процессе получения олигомера из водного раствора молочной кислоты.
Задачи:
1. Провести литературный обзор по синтезу лактида;
2. Подобрать оптимальные условия для проведения данного процесса;
3. Исследовать применение азеотропной системы растворителей для использования в процессе концентрирования водного раствора молочной кислоты;
4. Изучить и провести процесс синтеза лактида;
Практическая значимость заключается в том, что результаты данной работы позволяют использовать системы азеотропов для процесса концентрирования водного раствора молочной кислоты с последующим синтезом лактида и полилактида. Использование таких систем позволяет сократить время и температуру процесса.
Сегодня можно с уверенностью утверждать, что биопластики эффективные и технологически зрелые материалы. Они способны улучшить баланс между экологическими выгодами и воздействием пластмасс на окружающую среду. Анализ жизненного цикла показывает, что биопластик может сократить выбросы CO2 на 30-70 % по сравнению с обычной пластмассой (в зависимости от материала и области применения). Более того, увеличение использования биомассы в биопластике имеет явное преимущество: возобновляемость и доступность.
Несмотря на то, что в настоящее время доля биоразлагаемых полимеров достаточно мала, потенциал этого рынка огромен. Так в начале 2000-ых годов Research.Techart оценивал емкость рынка на 2010 год в 47тыс. тонн. В 2012 году производство биопластиков было равно 1395 тыс. т (пластики на растительной основе, не поддающиеся биологическому разложению - 791 тыс. т). Прогноз специалистов на 2017 год - 6 185 тыс. т (пластики на растительной основе, не поддающиеся биологическому разложению - 5 185 тыс. т). По прогнозам к 2020 году доля биоразлагаемых полимеров даже может достигнуть четверти мирового производства пластмасс.
Направления применения биополимеров расширяются от бытовых и сельскохозяйственных до общепромышленных и машиностроительных. Можно утверждать, что в ближайшие годы, помимо пищевой промышленности, потреблять биопластики начнут отрасли IT технологий, автомобилестроения, производства игрушек и т.д.
Сбыту биоразлагаемых полимеров способствует растущая обеспокоенность потребителей вопросами защиты окружающей среды и поощрение использования естественных ресурсов со стороны правительства. В частности, большие возможности для инноваций и роста рынка создает растущая популярность экологически чистой упаковки.
Росту потребления будут способствовать упрощение технологий производства биопластиков и их удешевление, снижение срока биодеградации.
Цель новейших разработок в области создания биоразлагаемых полимеров заключается в установлении общих закономерностей в подборе компонентов и технологических параметров при изготовлении материалов, сочетающих высокий уровень эксплуатационных характеристик (прочность, низкую газопроницаемость, экологическую безопасность, хорошую формуемость и др.) со способностью к биоразложению, и научиться регулировать процессы их деструкции для обеспечения быстрой и безопасной деградации упаковки по окончании срока ее службы.
В заключение следует отметить, что интенсификация исследований в области создания биоразлагаемых полимеров важна не только для дальнейшего успешного развития рынка, но и одно из перспективных направлений решения глобальной экологической проблемы, связанной с загрязнением окружающей среды отходами полимерных материалов.
Основные выводы по работе:
1. Установлено, что концентрирование растворов молочной кислоты с использованием АОВ позволяет снизить температуру процесса, а также существенно сократить время процесса получения олигомера МК.
2. Применение двойной системы растворителей помогает получить лактид - сырец и лактид с более высокой степенью чистоты (высокая температура плавления), по сравнению с одинарными системами.
Несмотря на то, что в настоящее время доля биоразлагаемых полимеров достаточно мала, потенциал этого рынка огромен. Так в начале 2000-ых годов Research.Techart оценивал емкость рынка на 2010 год в 47тыс. тонн. В 2012 году производство биопластиков было равно 1395 тыс. т (пластики на растительной основе, не поддающиеся биологическому разложению - 791 тыс. т). Прогноз специалистов на 2017 год - 6 185 тыс. т (пластики на растительной основе, не поддающиеся биологическому разложению - 5 185 тыс. т). По прогнозам к 2020 году доля биоразлагаемых полимеров даже может достигнуть четверти мирового производства пластмасс.
Направления применения биополимеров расширяются от бытовых и сельскохозяйственных до общепромышленных и машиностроительных. Можно утверждать, что в ближайшие годы, помимо пищевой промышленности, потреблять биопластики начнут отрасли IT технологий, автомобилестроения, производства игрушек и т.д.
Сбыту биоразлагаемых полимеров способствует растущая обеспокоенность потребителей вопросами защиты окружающей среды и поощрение использования естественных ресурсов со стороны правительства. В частности, большие возможности для инноваций и роста рынка создает растущая популярность экологически чистой упаковки.
Росту потребления будут способствовать упрощение технологий производства биопластиков и их удешевление, снижение срока биодеградации.
Цель новейших разработок в области создания биоразлагаемых полимеров заключается в установлении общих закономерностей в подборе компонентов и технологических параметров при изготовлении материалов, сочетающих высокий уровень эксплуатационных характеристик (прочность, низкую газопроницаемость, экологическую безопасность, хорошую формуемость и др.) со способностью к биоразложению, и научиться регулировать процессы их деструкции для обеспечения быстрой и безопасной деградации упаковки по окончании срока ее службы.
В заключение следует отметить, что интенсификация исследований в области создания биоразлагаемых полимеров важна не только для дальнейшего успешного развития рынка, но и одно из перспективных направлений решения глобальной экологической проблемы, связанной с загрязнением окружающей среды отходами полимерных материалов.
Основные выводы по работе:
1. Установлено, что концентрирование растворов молочной кислоты с использованием АОВ позволяет снизить температуру процесса, а также существенно сократить время процесса получения олигомера МК.
2. Применение двойной системы растворителей помогает получить лактид - сырец и лактид с более высокой степенью чистоты (высокая температура плавления), по сравнению с одинарными системами.